Нанометр

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14414 (2015) Цитировать эту статью

5473 Доступа

76 цитат

14 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка магнитных частиц нанометрового размера, обладающих большим коэрцитивным полем (Hc), пользуется большим спросом для уплотнения магнитной записи. Здесь мы сообщаем об одном наноразмере (т.е. менее десяти нанометров в поперечнике) магнитотвердом феррите. Этот магнитный феррит состоит из ε-Fe2O3 с достаточно высоким значением Hc для систем магнитной записи и чрезвычайно высокой константой магнитной анизотропии 7,7 × 106 эрг см-3. Например, наночастицы размером 8,2 нм имеют значение Hc 5,2 кЭ при комнатной температуре. Коллоидный раствор этих наночастиц имеет светло-оранжевый цвет из-за широкой запрещенной зоны 2,9 эВ (430 нм), что указывает на возможность создания прозрачных магнитных пигментов. Кроме того, мы наблюдали генерацию второй гармоники, индуцированную намагниченностью (MSHG). Нелинейный оптико-магнитоэлектрический эффект данного полярного магнитного нанокристалла был достаточно сильным. Эти результаты были продемонстрированы на простом оксиде железа, что очень важно с точки зрения экономической стоимости и массового производства.

Магнитные материалы использовались для множества применений: носители магнитной записи, постоянные магниты, поглотители электромагнитных волн, магнитная жидкость, доставка лекарств и т. д.1,2,3,4,5,6,7,8. С точки зрения уплотнения носителей магнитной записи, разработка магнитных частиц нанометрового размера (менее 10 нм в диаметре) с большим коэрцитивным полем (Hc) является логичным следующим шагом. В системах магнитной записи9,10,11, таких как жесткие диски или ленты магнитной записи, необходимое значение Hc для записи и чтения составляет ок. 3 кЭ. Больший Hc необходим для будущих систем магнитной записи, таких как носители с битовым рисунком или магнитная запись с подогревом. Материалы, обладающие мультиферроидными свойствами, привлекают все большее внимание12,13,14,15,16,17 как носители магнитной записи с электроприводом13. Кроме того, разработка оптически прозрачного магнита весьма желательна для новых применений, таких как прозрачные окна, поглощающие электромагнитные волны, или магнитные цветные пигменты для принтеров. В свете вышеизложенных требований эпсилон-оксид железа ε-Fe2O3 является привлекательным материалом, поскольку он демонстрирует большое значение Hc при комнатной температуре7,18,19,20,21,22,23,24,25. В настоящей работе мы разрабатываем синтетический метод получения сферических частиц ε-Fe2O3 одиночного наноразмера. Полученные наномагниты удовлетворяют требуемому значению Hc для упомянутых выше приложений магнитной записи. Кроме того, они демонстрируют генерацию второй гармоники, индуцированную намагничиванием (MSHG), с сильным магнитоэлектрическим (ME) эффектом. Цвет этой серии очень светлый, а коэффициент поглощения в видимой области мал. В этой работе мы сообщаем процедуру синтеза, кристаллическую структуру, размеры частиц и магнитные свойства наночастиц ε-Fe2O3 нанометрового размера. Кроме того, мы представляем расчеты из первых принципов для оптической запрещенной зоны, спонтанной электрической поляризации полярного кристалла и нелинейного оптического МЭ-эффекта.

ε-Fe2O3 нанометрового размера был получен из прекурсора, в котором наночастицы ферригидрита Fe10O14(OH)2 были внедрены в матрицу SiO2. Подробности процедуры синтеза описаны в разделе «Методы». В этом отчете мы описываем 18 образцов, спеченных в широком диапазоне температур: 250 °C (S-250), 500 °C (S-500), 731 °C (S-731), 902 °C (S-902). ), 924 °С (С-924), 951 °С (С-951), 979 °С (С-979), 1002 °С (С-1002), 1020 °С (С-1020), 1032 °С (С-1032), 1044 °С (С-1044), 1061 °С (С-1061), 1063 °С (С-1063), 1104 °С (С-1104), 1142 °С (С-1142) , 1198 °С (С-1198), 1213 °С (С-1213) и 1295 °С (С-1295).

Порошковые рентгенограммы (XRPD) спеченных образцов и предшественника показаны на рисунке 1 и дополнительном рисунке S1. Рентгенограмма прекурсора показывает, что Fe10O14(OH)2 имеет гексагональную кристаллическую структуру (пр. группа P63mc, a = 6,04 Å, c = 8,75 Å). С повышением температуры спекания Fe10O14(OH)2 начинает превращаться в γ-Fe2O3 (кубический, Fd3–m, a = 8,37 Å) около 250 °С. При повышении температуры спекания γ-Fe2O3 превращается в ε-Fe2O3 при температуре около 500 °C. При температуре выше 951 °C рентгенограммы XRPD для S-951–S-1104 показывают чистую фазу ε-Fe2O3 (ромбическую, Pna21, a = 5,09 Å, b = 8,80 Å и c = 9,48 Å для S-1020) (дополнительная таблица С1). Выше 1142 °С обнаруживается небольшое количество α-Fe2O3 (ромбоэдрический, R3–c, a = 5,04 Å и c = 13,75 Å для S-1295). В этом синтетическом методе чистый ε-Fe2O3 получается в удивительно широком диапазоне температур спекания. Диапазон шире, чем у ранее описанных методов, включая комбинацию методов обратной мицеллы и золь-гель20, а также метода импрегнирования с использованием мезопористого диоксида кремния7.